CC BY
45
УДК 634. 0.813.2 ВЛИЯНИЕ МЕХАНООБРАБОТКИ КОРЫ ОСИНЫ
НА АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА ВОДНОСПИРТОВЫХ ВЕЩЕСТВ
© С.И. Писарева1, Н.В. Юдина1, Ю.В. Лоскутова1, В.Н. Буркова1, С.Г. Боев2
1 Институт химии нефти СО РАН, пр. Академический 3, Томск, 634021
(Россия) E-mail: lrn@jpc.tsc.ru
2Институт высоких напряжений, Томск (Россия)
Проведена механохимическая обработка коры осины. Показано влияние времени механообработки и скорости вращения барабанов на выход водноспиртовых веществ и полифенольных соединений. Определены содержание и реакционная активность ингибиторов окисления в водноспиртовых экстрактах из исходного и механоактивированного сырья. Установлено, что с увеличением времени механообработки и скорости вращения реакторов выход водноспиртовых веществ и полифенольных соединений возрастает, а содержание антиоксидантов изменяется по экстремальной зависимости.
Ключевые слова: кора осины, водноспиртовые вещества, полифенолы, антиоксиданты, механоактивация.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы (Гос.контракт №02.523.12.3003 от 20.08.07.)
Введение
Растительное сырье является богатым источником биологически активных веществ (БАВ) - углеводов, витаминов, микроэлементов, фенольных соединений, которые проявляют свойства антиоксидантов (АО) и т.д. Большая часть БАВ том числе и АО в растительном сырье связаны в комплексы различными связями физической и химической природы и по существующим технологиям лишь частично могут находиться в биодоступной форме. Использование предварительной механической активации растительного сырья позволяет достигать максимальной эффективности выделения БАВ на стадии последующего экстрагирования растворителями [1]. Ударно-истирающее воздействие сопровождается измельчением и разупорядочением структуры обрабатываемого материала [2]. Последнее обстоятельство значительно облегчает выделение БАВ. Однако до сих пор отсутствуют научные представления о механизме активации при механообработке растительного сырья.
В работе [3] показано, что кора осины является источником ценных химических и биологически активных соединений, таких как дубильные вещества, полифенольные соединения, витамины, непредельные жирные кислоты, и другие. Высокое содержание комплекса БАВ полифенольной природы, а также эффективное противовоспалительное и антибактериальное действие препаратов из осины позволяют предполагать наличие в ее коре ингибиторов окисления.
Целью настоящей работы явилось изучение влияния механообработки коры осины на выход водноспиртовых веществ (ВСВ), содержание в них полифенольных соединений (ПФС) и антиоксидантов.
Экспериментальная часть
Объектом исследования являлась кора осины (род Populus tremula, возраст 2 года), произрастающей в Томской области, отбор которой осуществляли в мае 2007 г.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Образцы сырья предварительно измельчались в дезинтеграторе Nossen 8255 до размера частиц 1-3 мм (частота вращения измельчающих частей 3000 об./мин.). Механохимическую активацию (МА) коры осины проводили в мельнице-активаторе планетарного типа АГО-2С (разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск, http://www.solid.nsc.ru). В конструкции мельницы с периодической загрузкой используются два барабана объемом по 150 мл, заполненных в приведенных опытах, приблизительно на 1/3 своего объема стальными шарами, на 1/3 исследуемым веществом в количестве 10 г и 1/3 приходится на свободное воздушное пространство. В качестве воздействующих тел применялись 60 стальных шаров диаметром 8 мм и общим весом 75 г, скорость вращения барабанов составляла 1290 об/мин и 1820 об/мин, центробежное ускорение шаров достигало 300 и 600 м/с2 соответственно. Время пребывания сырья в зоне обработки изменялось от 1 до 10 мин при комнатной температуре.
Процесс МА можно представить как сочетание ударной и сдвиговой деформации на контактах между воздействующими телами и частицами твердого вещества. При скорости вращения барабанов 1290 об/мин измельчение сырья происходит в значительной степени за счет истирания. Вращение барабанов со скоростью 1820 об/мин обеспечивает измельчение за счет сдвиговой и ударной составляющих деформации.
Объектом исследования являлась кора молодой осины (рода Populus tremula), произрастающей в Томской области, отбор которой осуществляли в мае 2007 г.
Механохимическую активацию (МА) коры осины проводили в мельнице-активаторе планетарного типа АГО-2С (разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск, http://www.solid.nsc.ru). В конструкции мельницы с периодической загрузкой используются два барабана, заполненных в приведенных опытах приблизительно на 1/3 своего объема стальными шарами, на 1/3 исследуемым веществом и 1/3 приходится на свободное воздушное пространство. В качестве воздействующих тел применялись стальные шары диаметром 8 мм. Процесс МА можно представить как сочетание ударной и сдвиговой деформации на контактах между воздействующими телами и частицами твердого вещества. Образцы сырья предварительно измельчались в дезинтеграторе Nossen 8255 до размера частиц 1-3 мм (частота вращения измельчающих частей 3000 об./мин). Измельченные образцы взвешивались на аналитических весах, затем ме-ханоактивировались при скорости вращения барабанов 1395 и 1820 об/мин. Время пребывания сырья в зоне обработки изменялось от 1 до 10 минут при комнатной температуре.
Для извлечения водноспиртовых экстрактов использовали воду и этанол в соотношении 1 : 1. К исходной (измельченной и просеянной сквозь сито с отверстиями диаметром 1 мм) и механоактивированной коре осины добавляли растворитель в соотношении 1 : 50, нагревали при перемешивании, поддерживая слабое кипение в течение 2 ч. Полученный экстракт отделяли от осадка, высушивали и взвешивали. Содержание ВСВ приводится в процентах в пересчете на сухое сырье.
Определение содержания полифенолов проводили путем упаривания водноспиртового экстракта, отделенного от осадка, до 1/5 объема и добавления этилового спирта в соотношении 1 : 3. Углеводы, выпавшие в осадок, отделяли центрифугированием, а раствор (полифенолы) упаривали, высушивали и взвешивали.
Антиоксиданты в водноспиртовых экстрактах определяли кинетическим методом на основе модельной реакции инициированного окисления кумола с диметилсульфоксидом в соотношении 9 : 1 [4, 5]. Измерение производили по скорости поглощения кислорода кумолом при температуре 60 °С на автоматизированной газометрической установке [6]. В качестве препарата сравнения использовали ионол. Скорость инициирования (6,8-Ю-8 моль/л-с) задавали навеской инициатора азо-бис-изобутиронитрила (10,1 мг).
Зависимость количества поглощенного кислорода от времени реакции обрабатывали с помощью ЭВМ и выводили на экран дисплея в виде интегральной кривой. Используя программное обеспечение, проводили параллельную обработку информации и определяли значения следующих параметров: периода индукции, содержания ингибиторов окисления, констант скорости ингибирования и содержание С, % мас. в пересчете на стандарт.
На рисунке 1 приведена кинетическая кривая поглощения кислорода кумолом в присутствии водноспиртового экстракта из механоактивированной коры осины. Период индукции определяли графически, используя приемы, описанные в работе [4].
Для определения содержания антиоксидантов неизвестного состава (С, моль/кг), содержащихся в экстракте, использовали соотношение:
где Wi - скорость инициирования, равная 6,8*10” моль/л*с; Р - навеска анализируемой пробы экстракта, кг/л (с учетом объема реакционной смеси 10 мл); т - период индукции, с.
Константу скорости ингибирования (к7, л/моль*с) определяли из соотношения:
2,303 • к3
к = 3
где кз - константа скорости продолжения цепи, 1,75 л/моль*с, а для определения tg а кинетическую кривую поглощения кислорода кумолом спрямляли в координатах: Х = -^(1-^т); У=[02 ]/[КН]о. На рисунке 2 представлена полулогарифмическая анаморфоза кинетической кривой, состоящая из двух участков каждый из которых представляет собой прямую линию. Это свидетельствует о том, что в анализируемом экстракте присутствуют два типа антиоксидантов, отличающиеся по к7. Для каждого антиоксиданта рассчитывались кинетические параметры по вышеприведенным формулам.
Суммарное содержание ингибиторов окисления (Собщ, % мас.) в пересчете на ионол определяли по формуле: Собщ=(Собщ, моль/кг / 9,08)*100 %. (Ионол в концентрации 5* 10-5 моль/л (навеска 0,11 мг) дает период индукции 24,5 мин. Рассчитанное значение С для ионола по формуле (1) равно 9,08 моль/кг).
Элементный состав коры осины определяли методом сожжения: С, Н, N - в реакторе Покровского с последующим газохроматографическим анализом продуктов деструкции. Содержание серы 8 анализировалось колбовым методом по Шенигеру. Количество золы определяли по методике [7].
Рис. 1. Кинетическая кривая
поглощения кислорода кумолом с ДМСО (9 : 1) в присутствии водноспиртового экстракта, выделенного из
механоактивированной в течение 5 мин при скорости вращения реакторов 1395 об./мин коры осины
3 200 3 000 2 800 2 600 2 400 2 200 2 0001 800 1 600 1 4001 2001 000800600 400 200 о
/
2 500 Врем л
Рис. 2. Полулогарифмическая анаморфоза кинетической кривой поглощения кислорода кумолом с ДМСо (9 : 1) в присутствии водноспиртового экстракта, выделенного из механоактивированной в течение 5 мин при скорости вращения реакторов 1395 об./мин коры осины
Обсуждение результатов
Состав коры осины охарактеризован по содержанию основных элементов углерода, водорода, азота, серы, кислорода, минерального остатка (табл. 1). Органические соединения в коре осины содержат все гетероатомы азот (№), серу (8), кислород (О).
Из исходной и механоактивированной коры осины извлекались водноспиртовые и полифенольные вещества. Их содержание приведено в таблице 2.
Выход ВСВ возрастает на 19% при механообработке в течение 10 мин и скорости вращения барабанов 1395 об./мин. Повышение скорости вращения барабанов до 1820 об/мин приводит к увеличению количества извлекаемых ВСВ максимально на 45% при продолжительности механообработки 10 мин.
Количество извлекаемых полифенолов при скорости вращения 1395 об/мин и 10 мин механообработки максимально повышается на 35%. При более жестких условиях диспергирования сырья (скорость вращения 1820 об./мин) увеличение времени обработки до 10 мин способствует повышению выхода полифенолов на 61%.
К антиоксидантам, обрывающим цепи окисления за счет взаимодействия с пероксидными радикалами, относятся соединения с функциональной группой, содержащей подвижный атом водорода -ОН; -NH-; -8Н. Исходя из данных, опубликованных в работе [3], и результатов элементного состава (табл. 1) можно предположить, что антиоксиданты в экстрактах из растительного сырья представлены преимущественно фенольными и полифенольными соединениями. Общеизвестно, что фенольные группы в полифенольных и других сложных молекулах и ассоциатах образуют внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи, не позволяющие реакционным центрам участвовать в процессах ингибированного окисления.
Результаты определения антиоксидантов в экстрактах из исходной и механоактивированной коры осины приведены в таблицах 3, 4.
Таблица 1. Элементный состав коры осины
Наименование Содержание, % мас.
образца С Н N Б О остаток
Кора осины 46,3 7,0 1,2 0,4 40,5 4,6
Таблица 2. Влияние скорости вращения барабанов и времени механообработки коры осины на выход экстрактивных водноспиртовых веществ и полифенолов
Время обработки, мин Содержание, % мас.
1395 об./мин 1820 об./мин
ВСВ ПФ ВСВ ПФ
Без обработки 22,1 2,6 22,1 2,6
1 22,1 2,6 24,7 2,9
3 23,2 3,0 28,9 3,5
5 24,2 3,0 31,0 3,9
7 24,2 3,5 31,2 4,0
10 26,3 3,5 32,0 4,2
Таблица 3. Содержание и реакционная активность антиоксидантов в водноспиртовых экстрактах,
выделенных из механоактивированных образцов коры осины при скорости вращения барабанов 1395 об./мин
Время обработки, мин С общ, моль/кг *С, моль/кг 2С, моль/кг ‘к7 103, л/моль сек 2к7103, л/моль сек Cобщ, % мас.
Без обработки 0,74 - 0,74 - 5,1 8,1
1 1,15 0,16 0,99 9,1 3,2 12,7
3 1,28 0,28 1,00 8,3 3,7 14,1
5 1,44 0,40 1,04 9,4 2,6 15,9
7 1,15 0,21 0,64 8,5 2,8 12,7
10 0,96 - 0,96 - 5,6 10,6
Таблица 4. Содержание и реакционная активность антиоксидантов в водноспиртовых экстрактах, выделенных из механоактивированных образцов коры осины при скорости вращения барабановов 1820 об/мин
Время обработки, мин С общ, моль/кг *С, моль/кг 2С, моль/кг ‘k7 104, л/моль сек 2k7103, л/моль сек Собщ, % мас.
Без обработки 0,74 - 0,74 - 5,1 8,1
1 1,56 0,46 1,10 8,6 5,2 17,2
3 1,42 0,38 1,04 7,3 3,7 15,6
5 1,18 0,40 1,04 7,8 4,6 12,1
7 1,04 - 1,15 - 5,8 11,4
10 0,95 - 0,95 - 5,6 10,5
В экстракте из исходного сырья содержится один тип антиоксидантов в количестве 0,74 моль/кг (в пересчете на ионол 8,1% мас.) с константой скорости ингибирования 5,1-103моль/л-сек.
Содержание АО в ВСВ увеличивается до 1,15 моль/кг (в пересчете на ионол 12,7% мас) при механообработке сырья в течение 1 мин и частоте вращения барабанов 1395 об/мин. Реакционная способность АО повышается за счет появления второго типа ингибиторов с константой скорости ингибирования 9,1-103 моль/л-сек.
Диспергирование коры осины в течение 5 мин приводит к появлению в водноспиртовом экстракте наибольшего количества антиоксидантов (1,44 моль/кг или в пересчете на ионол 15,9% мас.) двух типов, отличающихся по реакционной активности.
Увеличение времени механообработки сырья до 7 и 10 мин приводит к снижению содержания АО в экстрактах, а также исчезновению более реакционноспособных антиоксидантов в экстракте, извлеченном после обработки в течение 10 мин.
Динамика количества АО в ВСВ изменяется при повышении частоты вращения барабанов до 1820 об./мин. Максимальное увеличение содержания АО (до 1,6 моль/кг или в пересчете на ионол 17,2% масс) и появление второго типа антиоксидантов с константой скорости ингибирования 8,6-103 моль/л-сек отмечено в экстракте из коры осины, обработанной в течение 1 мин. Очевидно, в результате механоактивации сырья происходит разрыв внутри- и межмолекулярных связей и высвобождение -ОН групп, способных проявлять свойства антиоксидантов.
Как следует из результатов, представленных в таблице 4, содержание АО в экстрактах, извлеченных после обработки в течение 3 и 5 минут, снижается, а механоактивирование коры осины, в течение 7 и 10 мин приводит не только к дальнейшему уменьшению количества АО в экстрактах, но и к исчезновению более реакционноактивных ингибиторов окисления. Очевидно, увеличение времени механообработки способствует связыванию фенольных групп водородными связями или/и их взаимодействию (расходу) с активными частицами (радикалами) до молекулярных продуктов, так как процесс механоактивирования осуществляется в том числе и по радикальному механизму.
Заключение
Установлено, что с увеличением времени механообработки и скорости вращения барабанов выход водноспиртовых веществ и содержание в них полифенольных соединений возрастает. Содержание антиоксидантов изменяется, достигая максимума в экстракте, извлеченном из сырья после обработки в течение 5 мин (при частоте вращения 1395 об/мин) и 1 мин (при частоте вращения 1820 об/мин). Более продолжительное по времени механоактивирование приводит к уменьшению количества АО в экстрактах и к исчезновению более реакционноактивных ингибиторов окисления. Очевидно, увеличение времени механообработки способствует связыванию фенольных групп водородными связями или/и их взаимодействию (расходу) с активными частицами (радикалами).
Список литературы
1. Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии твердых неорганических веществ. Новосибирск, 1983. 64 с.
2. Иванов А.А., Юдина Н.В., Ломовский О.И. Влияние механохимической активации на состав и свойства гуми-новых кислот торфов // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №5.С. 73-77.
3. Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Кедрова Л.К., Еськин А.П. и др. Выделение и изучение экстрактивных продуктов коры осины // Химия растительного сырья. 1998. №3. С. 5-12.
4. Цепалов В.Ф., Харитонова А.А., Гладышев Г.П., Эмануэль.Н.М. Определение констант скорости и коэффициентов ингибирования фенолов-антиоксидантов с помощью модельной цепной реакции // Кинетика и катализ. 1977. Т. 18. №5. С. 1261-1267.
5. Шилова И.В., Писарева С.И., Краснов Е.А., Бружес М.А., Пяк А.И. Антиоксидантные свойства экстрактов листьев бадана толстолистного // Химико-фармацевтический журнал. 2006. Т. 40. №11. С. 39-42.
6. Патент №1723445 (Россия). Газометрическая установка / Пынченков В.И., Писарева С.И., Пшеничникова Т.Л., Феоктистов В.В. // Б.И. 1998. №12. С. 165.
7. Государственная фармакопея СССР. - 11-е изд., доп. - М., 1987. Вып. 2. С. 24-25.
Поступило в редакцию 10 января 2008 г.
После переработки 30 января 2008 г.
